CN111172464B - 一种690MPa级建筑结构用耐火耐候钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及建筑结构用耐火耐候钢板技术领域，尤其涉及一种690MPa级建筑结构用耐火耐候钢板及其制造方法。钢板由如下重量百分含量的化学元素组成：C：0.05％～0.10％，Si：0.10％～0.40％，Mn：1.20％～1.80％，P≤0.010％，S≤0.003％、Ni：0.7％～1.1％，Cu：0.65％～1.10％，Mo：0.20％～0.60％，Nb：0.07％～0.12％，V：0.05％～0.075％，Ti：0.02％～0.035％，B≤0.0025％，Al0.01％～0.04％，余量为铁和不可避免的杂质。本发明采用两相区一次热处理工艺，获得了适当比例且稳定的逆转变奥氏体组织，最终获得了由回火态马氏体、纳米析出相，和残余奥氏体组成的复相组织。冶炼、连铸工艺方案实现低磷低碳控制。产品具有高强韧性、高塑性、低屈强比、优异的耐火性能、耐候性能以及抗层状撕裂性能。

Description

一种690MPa级建筑结构用耐火耐候钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及建筑结构用耐火耐候钢板技术领域，尤其涉及一种690MPa级建筑结构用耐火耐候钢板及其制造方法。

背景技术

建筑用钢占钢铁产量的50％以上(主要是棒线材)，而我国钢结构用钢(钢板和型钢)仅占钢产量的5％-6％，目前国内建筑用钢的屈服强度一般在460MPa以下，普通钢结构在建筑行业中较差的抗火抗灾和防腐蚀能力面临着严峻考验。随着高层建筑和重点工程的发展建设，对建筑结构用钢高强度、长寿命和安全性等方面的需求越来越迫切，对于建筑钢的抗震、耐火性、耐候性能提出更高的要求。

为保证建筑结构的安全性和长寿命，要求钢板必须具有更高的强度、较低的屈强比、良好的低温韧性和延伸率；而且，在特殊环境服役下的建筑结构还要求必须具有良好的耐火性能和耐候性能，因此，研制兼具高强度、耐火、耐火和良好低温韧性等综合技术特征的建筑用抗震结构钢成为新型绿色建筑行业发展的亟需。

技术特征和指标的复杂性、多样性显著增加了690MPa级建筑结构用耐火耐候钢的研发难度。首先，钢板强度的增加，使轧制变形抗力增大，道次变形率受到限制，使晶粒细化和控制难度倍增，而钢板厚度增加将导致厚度截面温度梯度增加、恶化厚度方向的冷却和组织均匀性；其次，钢板的低屈强比要求也会激化强度—韧性矛盾，进一步增加性能控制难度。

CN1354273A公开了“一种高性能耐火耐候建筑用钢及其生产方法”，其焊接性能较差，且钢板需进行正火+回火处理，工艺路线复杂，成本较高，同时钢板的强度级别较低。CN201110247615.0公开了“一种耐火抗震建筑用钢”，该发明仅限于屈服强度235～460MPa钢种，钢中P、S含量较多，对后续焊接性能有一定的影响，此外，该钢种也不具有良好的耐候性能。CN103695773A公开了“屈服强度为690MPa级耐火耐候抗震建筑用钢及其生产方法”，该钢种合金添加有W、Zr，成分高，成本大；为了提高强度，Mn含量相对较高，因此其焊接性能收到一定影响，测试为-20℃的冲击功，因此在更低更严苛温度下，其冲击韧性有待进一步考证。

发明内容

为了克服现有技术的不足，提供一种690MPa级建筑结构用耐火耐候钢板及其制造方法，按照本发明钢的化学成分及生产工艺要求生产的产品具有高强韧性、高塑性、低屈强比、优异的耐火性能、耐候性能(明显优于Q690D钢)以及抗层状撕裂性能。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种690MPa级建筑结构用耐火耐候钢板，由如下重量百分含量的化学元素组成：

C：0.05％～0.10％，Si：0.10％～0.40％，Mn：1.20％～1.80％，P≤0.010％，S≤0.003％、Ni：0.7％～1.1％，Cu：0.65％～1.10％，Mo：0.20％～0.60％，Nb：0.07％～0.12％，V：0.05％～0.075％，Ti：0.02％～0.035％，B≤0.0025％，Al0.01％～0.04％，余量为铁和不可避免的杂质。

一种690MPa级建筑结构用耐火耐候钢板的制造方法，包括铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、连铸、轧制、冷却与矫直，具体包括：

1)连铸坯浇注过热度10～25℃，连铸坯厚度/成品钢板厚度≥6；连铸坯加热段温度1200～1250℃，均热段温度1190～1220℃，均热段时间不低于50min；

2)粗轧开轧温度为1080～1120℃，粗轧终轧温度为1020～1060℃，粗轧阶段保证至少最后2个道次的每道次变形率大于15％且道次间隔不超过15s，累计压下率≥50％；

3)中间待温坯厚度2.5t～3.5t，其中t为成品钢板厚度，精轧开轧温度为820～890℃，精轧终轧温度为780～830℃，单道次变形率不低于10％；

4)轧后钢板进行加速水冷，轧制完成后钢板待温，开始水冷冷却温度680～740℃，返红温度250～450℃，冷却速度为10℃/s～25℃/s；随后，进行热矫直和空冷；

5)对轧制后钢板进行α+γ两相区热处理，加热温度为680～780℃，总保温时间为2.5min/mm～3min/mm，出炉后空冷至室温；

6)钢板最终微观组织以回火马氏体+纳米析出相+亚稳奥氏体的复合组织为主，其中，亚稳奥氏体体积百分比在2％～15％。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明成分通过低C和低Mn设计改善材料韧性，利用Nb、Ti元素抑制奥氏体晶粒长大并在奥氏体转变过程中的促进形核作用来细化晶粒，控制钢板厚度心部组织，提高组织均匀性；通过Ni、Cu、Mo元素增加固溶强化效果提高钢板的高温强度及耐候性能；配以相应的独特生产工艺解决了建筑用钢高强度、低屈强比、耐火、耐候及低温韧性等技术指标的匹配难题。

(2)本发明用B元素代替Cr元素，降低了部分合金成本，并进一步提高钢板的塑韧性。

(3)本发明的冶炼、连铸工艺方案实现低磷低碳控制，改善了铸坯质量，从而提高了最终产品性能。

(4)本发明采用两相区一次热处理工艺，获得了适当比例且稳定的逆转变奥氏体组织，最终获得了由回火态马氏体、纳米析出相，和残余奥氏体组成的复相组织。适当的控制三者的含量配比可以使强度和塑韧性达到最佳配合，实现提高强度并降低屈强比的目的，从而得到良好的抗震性能。

(5)本发明为控轧控冷+一次热处理的制造方法，工序简单，适合国内大多数中厚厂生产。

(6)本发明所述690MPa级建筑结构用耐火耐候钢板最大厚度50mm，屈服强度690MPa～790MPa，抗拉强度950MPa～995MPa，断后伸长率≥21％，屈强比≤0.81，厚度方向Z向性能≥60％，-40℃冲击功≥180J，600℃高温保温3小时后屈服强度≥460MPa，耐候性能是Q690D的2倍以上。满足低温条件下建筑结构的抗震、耐火、耐候性能需求。

附图说明

图1为本发明实施例3的金相组织图。

具体实施方式

本发明公开了一种690MPa级建筑结构用耐火耐候钢板及其制造方法。本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。

本发明所述一种690MPa级建筑结构用耐火耐候钢板及其制造方法，成分设计通过低C和低Mn改善材料韧性，利用Nb、Ti、V元素抑制奥氏体晶粒长大并在奥氏体转变过程中的促进形核作用来细化晶粒，控制钢板厚度心部组织，提高组织均匀性；同时，针对高强度特点利用Nb抑制奥氏体再结晶的作用，提高轧制温度，有效降低轧制抗力，也有利于增大轧制道次变形率；通过Ni元素增加固溶强化效果并利用Ni元素提高低温韧性；利用Mo、Cu、B改善钢板的的淬透性、提高固溶强化作用，、并且可以提高钢板的耐候性能，配以相应的冶炼、加热、轧制、冷却、热处理等生产工艺获得高强度、低屈强比、良好的耐火、耐候、低温韧性等综合性能及理想的微观组织。

本发明所述一种690MPa级建筑结构用耐火耐候钢的化学成分重量百分比为C：0.05％～0.10％、Si：0.10％～0.40％、Mn：1.20％～1.80％、P≤0.010％、S≤0.003％、Ni：0.7％～1.1％、Cu：0.65％～1.10％、Mo：0.20％～0.60％、Nb：0.07％～0.12％、V：0.05％～0.075％、Ti：0.02％～0.035％、B≤0.0025％、Al0.01％～0.04％，余量为铁和不可避免的杂质。

本发明成分设计理由：

本发明C可以通过间隙固溶发挥强化作用，还可以与Nb等合金元素作用形成细小的碳化物析出，在轧制变形或奥氏体相变之前析出，阻碍晶粒长大，提高形核率，细化组织；同时，还可以阻碍位错移动，有效提高抗拉强度，降低屈强比，因此，C含量不宜过低；但是，C的增加对韧性不利，特别是对低温韧性有影响较大；而且，C的增加会恶化钢板的焊接性能。所以，C含量也不能过高，本发明认为C含量控制在0.05％～0.10％较为适宜。

Si：是钢中脱氧元素之一，Si能改善钢的耐腐蚀性能，同时Si具有较强的固溶强化作用，Si在钢中可以增加残余奥氏体数量，降低钢板的屈强比。但过量的Si将使贝氏体晶粒尺寸增大，恶化钢的韧性及焊接性能。因此本发明中Si含量的控制在0.10～0.40％较为适宜。

Mn可有效提高强度和淬透性；降低奥氏体相变温度，抑制钢板加速冷却前的相变晶粒长大，发挥细化晶粒作用，提高钢板强度；但是，Mn含量过高会易抑制铁素体转变，影响钢的屈服强度，不利于降低屈强比，过高的Mn含量会诱发偏析，恶化钢板组织均匀性和层状撕裂性能且不利于焊接，本发明认为将Mn含量控制在1.20％～1.80％较为适宜。

P、S在本发明中为有害杂质元素，含量越低越好；其中，过高的P会导致组织偏析，对低温韧性有明显的不利影响，本发明将P控制在≤0.010％，S含量增加会促进夹杂物的生成和长大，恶化低温性能和厚度方向性能，因此，S≤0.003％。

Ni提高钢材强度效果不明显，但能保持良好的塑性、低温韧性以及耐腐蚀性能，同时在高温下具有防锈和耐热能力。当Ni与Cr、Cu复合添加时，不仅可以明显改善低温韧性，还可以提高锈层的稳定性，显著提高耐腐蚀性能。通过Ni、Mn等奥氏体稳定化元素还可以在两相区热处理过程中获得适量、细小且稳定的逆转变奥氏体，有利于钢的塑性提高和屈强比降低。但Ni量过高，钢板表面易产生大量难以脱落的氧化铁皮，成本也增加，本发明认为将Ni含量控制在0.70％～1.10％较为适宜。

Cu能改善钢的淬透性，可以明显提高厚钢板的心部强度，也是重要的提高耐候性的元素，在厚钢板缓慢冷却过程中，适量Cu通过自回火可析出ε-Cu，提高钢板强度。Cu含量过高时，会降低钢板的塑性。本发明认为将Cu含量控制在0.65％～1.10％较为适宜。

Mo是耐火耐候钢的主要元素，在钢中主要是起到高温固溶强化和析出强化作用，提高耐火性；Mo还可以提高钢的淬透性，抑制P、S等杂质元素在晶界的偏聚，降低回火脆性，Mo可以起到稳定锈层，提高耐候性的独特作用，适量Mo还可以降低屈强比，提高抗震性能。Mo与Nb、V同时加入时还可促进高温稳定性较高的Nb、V细小碳氮化合物析出，从而进一步提高高温性能。但过高的Mo会降低钢板的低温韧性，且成本较高，本发明认为将Mo含量控制在0.20％～0.60％较为适宜。

Nb本发明中铌的作用包括(1)固溶强化；(2)在轧制过程中和加速冷却前的析出，钉扎晶界，促进形核，有效细化晶粒，从而，提高强度和改善韧性；(3)降低奥氏体相变温度，能够细化晶粒；(4)在高温过程中析出的NbC粒子或与V、Mo复合析出第二相，能够提高钢的高温强度。但是，Nb含量过高会恶化焊缝和热影响区韧性，还会增加成本，本发明认为将Nb含量控制在0.07％～0.12％较为适宜。

由于V具有较低的全固溶温度，均热时基本全部固溶，轧制过程中固溶的V能有效提高淬透性和提高再结晶温度，在高温下V的碳氮化物大量析出，显著提高钢板高温强度，V还兼具固溶强化和降低屈强比作用，当V含量过高时，虽然显著提高强度，但恶化低温韧性和焊接性能。本发明认为将V含量控制在0.05％～0.075％较为适宜。

Ti可以发挥固氮效果，形成以TiN为主的析出相，能抑制高温条件下奥氏体的晶粒长大，也可以改善焊后热影响区韧性，在焊接过程中，TiN粒子阻止热影响粗晶区晶粒长大，提高焊接接头低温韧性。另外Ti由于较低的固溶度，易在奥氏体到铁素体的转变过程中以相间析出的形式出现，提高高温强度。但过多的Ti会降低钢的韧性，本发明认为将Ti含量控制在0.02％～0.035％较为适宜。

B是表面活性元素，容易偏聚于晶界处，显著提高钢板淬透性，对抑制先共析铁素体的形核及长大有较强作用，能抑制γ-α相变，可替代Mo、Cr等贵金属元素有效提高钢材强度。但B含量达到一定范围后易形成B的碳化物和氮化物，并偏聚在原奥氏体晶界，造成晶界位错密度升高，易于此处发生晶界开裂，因此，B含量上限控制在0.0025％。

Al是强脱氧元素，还可与N结合形成AlN，能够起到细化晶粒作用，提高低温冲击韧性，降低钢的脆性转变温度。Al还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，Al与Cr、Si合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力，含量过高对焊接性不利，本发明认为Al含量控制0.010％～0.040％为宜。

本发明所述一种屈服强度≥690MPa的建筑结构用耐火耐候钢的制造方法包括铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、连铸、轧制、冷却、矫直；其中，连铸坯浇注过热度10～25℃，连铸坯厚度/成品钢板厚度≥6；浇注过热度和连铸坯拉速的控制可以有效减少铸坯质量缺陷；增大连铸坯到成品钢板的压缩比可以有效控制晶粒尺寸。

连铸坯加热段温度1200～1250℃，均热段温度1190～1220℃，均热段时间不低于50min；加热工艺可以满足合金特别是Nb元素的固溶，同时，防止奥氏体晶粒过分长大；加热时间可保证坯料温度均匀性。

粗轧开轧温度为1080～1120℃，粗轧终轧温度为1020～1060℃，粗轧阶段的轧制温度和变形工艺使奥氏体晶粒再结晶并且抑制晶粒长大，粗轧阶段保证至少最后2个道次的每道次变形率大于15％且道次间隔不超过15s，累计压下率≥50％；粗轧末段采用大压下和短间隔工艺可以降低生产建筑用钢的设备负荷，利用多道次大压下率变形叠加效果，促进奥氏体发生再结晶，达到晶粒细化目标，适宜本发明建筑用耐火耐候钢板的生产。

中间待温坯厚度2.5t～3.5t，其中t为成品钢板厚度，精轧开轧温度为820～890℃，精轧终轧温度为780～830℃，单道次变形率不低于10％；适宜的中间待温坯厚度和道次变形率既可以满足未再结晶区奥氏体变形和形变能的积累，又能保证在原铸坯厚度一定的情况下粗轧阶段获得足够的变形率，达到晶粒细化目的；低的精轧温度促进奥氏体形变能的积累和Nb、Ti的细小析出相的诱导析出，增加形核位置；精轧末期在相变点温度附近足够的变形有利于细小的铁素体生成，可以降低有效晶粒尺寸，明显提高低温韧性。

轧后钢板进行加速水冷，轧制完成后钢板待温，开始水冷冷却温度680～740℃，返红温度250～450℃，冷却速度为10℃/s～25℃/s；随后，进行热矫直和空冷。控制钢板开始水冷温度可以改善冷却时钢板的应力过大，保证钢板板型，又可以使钢板的晶粒尺寸更加均匀，进一步降低钢板屈强比；终冷温度可以促进马氏体形成，细化M/A岛；

对轧制后钢板进行α+γ两相区热处理，加热温度为680～780℃，总保温时间为2.5min/mm～3min/mm，出炉后空冷至室温。；两相区回火的目的是获得相应数量的逆转变亚稳的奥氏体，保留至室温以提高韧性和塑性，降低钢板屈强比。

钢板最终微观组织以回火马氏体+纳米析出相+亚稳奥氏体的复合组织为主，其中，亚稳奥氏体体积百分比在2％～15％。

实施例：

本发明实施例的化学成分见表1；相应实施例的冶炼连铸及板坯加热工艺见表2；相应实施例的粗轧工艺见表3；相应实施例的精轧工艺见表4；相应实施例的冷却和热处理制度见表5；相应实施例的性能和微观组织比例见表6；相应实施例的腐蚀速率见表7。实施例3的金相组织图如图1所示。

表1本发明实施例的化学成分wt％

实施例	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cu	Mo	Nb	V	Ti	B	Al
														1	0.064	0.25	1.42	0.009	0.003	0.71	0.72	0.23	0.078	0.064	0.020	0.0023	0.015
2	0.072	0.36	1.22	0.008	0.002	0.85	0.65	0.46	0.096	0.073	0.028	0.0018	0.023
														3	0.053	0.28	1.78	0.008	0.002	0.92	0.82	0.36	0.083	0.071	0.025	0.0016	0.025
4	0.088	0.30	1.52	0.010	0.001	0.73	0.65	0.45	0.098	0.060	0.031	0.0020	0.038
														5	0.092	0.12	1.58	0.007	0.003	0.88	0.95	0.56	0.115	0.072	0.033	0.0015	0.032
6	0.075	0.10	1.48	0.009	0.002	1.10	1.08	0.42	0.072	0.065	0.021	0.0021	0.022
														7	0.098	0.16	1.63	0.008	0.003	1.03	0.78	0.58	0.096	0.052	0.035	0.0018	0.018
8	0.060	0.28	1.67	0.009	0.001	0.92	1.02	0.29	0.105	0.058	0.021	0.0017	0.034

表2本发明实施例的连铸及铸坯加热工艺

表3本发明实施例的粗轧工艺

表4本发明实施例的精轧工艺

表5本发明实施例的冷却和热处理工艺

表6本发明实施例的性能和微观组织比例

注：钢的耐火性能以600℃保温3小时不低于室温下的2/3来评定。

表7本发明实施例的腐蚀速率

注：耐候性能通过周浸腐蚀试验168h后的质量损失评定，具体腐蚀试验试验溶液：0.01mol/L NaHSO₃；补充溶液：0.02mol/L NaHSO₃；试验温度：45±2℃；相对湿度：70±5％；周浸轮转速：1圈/60分钟。

本发明成分通过低C和低Mn设计改善材料韧性，利用Nb、Ti元素抑制奥氏体晶粒长大并在奥氏体转变过程中的促进形核作用来细化晶粒，控制钢板厚度心部组织，提高组织均匀性；通过Ni、Cu、Mo元素增加固溶强化效果提高钢板的高温强度及耐候性能；配以相应的独特生产工艺解决了建筑用钢高强度、低屈强比、耐火、耐候及低温韧性等技术指标的匹配难题。本发明用B元素代替Cr元素，降低了部分合金成本，并进一步提高钢板的塑韧性。本发明的冶炼、连铸工艺方案实现低磷低碳控制，改善了铸坯质量，从而提高了最终产品性能。本发明采用两相区一次热处理工艺，获得了适当比例且稳定的逆转变奥氏体组织，最终获得了由回火态马氏体、纳米析出相，和残余奥氏体组成的复相组织。适当的控制三者的含量配比可以使强度和塑韧性达到最佳配合，实现提高强度并降低屈强比的目的，从而得到良好的抗震性能。本发明为控轧控冷+一次热处理的制造方法，工序简单，适合国内大多数中厚厂生产。

本发明所述690MPa级建筑结构用耐火耐候钢板最大厚度50mm，屈服强度690MPa～790MPa，抗拉强度950MPa～995MPa，断后伸长率≥21％，屈强比≤0.81，厚度方向Z向性能≥60％，-40℃冲击功≥180J，600℃高温保温3小时后屈服强度≥460MPa，耐候性能是Q690D的2倍以上。满足低温条件下建筑结构的抗震、耐火、耐候性能需求。

如表6、表7所示，按照本发明钢的化学成分及生产工艺要求生产的产品具有高强韧性、高塑性、低屈强比、优异的耐火性能、耐候性能(明显优于Q690D钢)以及抗层状撕裂性能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种690MPa级建筑结构用耐火耐候钢板的制造方法，其特征在于，所述钢板由如下重量百分含量的化学元素组成：

C：0.05％～0.10％，Si：0.10％～0.40％，Mn：1.20％～1.80％，P≤0.010％，S≤0.003％、Ni：0.7％～0.85％，Cu：0.65％～0.72％，Mo：0.20％～0.46％，Nb：0.07％～0.12％，V：0.05％～0.075％，Ti：0.02％～0.035％，B：0.0018％～0.0025％，Al0.01％～0.04％，余量为铁和不可避免的杂质；

其制造方法包括铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、连铸、轧制、冷却与矫直，具体包括：

1)连铸坯浇注过热度10～25℃，连铸坯厚度/成品钢板厚度≥6；连铸坯加热段温度1200～1250℃，均热段温度1190～1220℃，均热段时间不低于50min；

2)粗轧开轧温度为1080～1120℃，粗轧终轧温度为1020～1060℃，粗轧阶段保证至少最后2个道次的每道次变形率大于15％且道次间隔不超过15s，累计压下率≥50％；

3)中间待温坯厚度2.5t～3.5t，其中t为成品钢板厚度，精轧开轧温度为820～890℃，精轧终轧温度为780～830℃，单道次变形率不低于10％；

4)轧后钢板进行加速水冷，轧制完成后钢板待温，开始水冷冷却温度680～740℃，返红温度250～450℃，冷却速度为10℃/s～25℃/s；随后，进行热矫直和空冷；

5)对轧制后钢板进行α+γ两相区热处理，加热温度为680～780℃，总保温时间为2.5min/mm～3min/mm，出炉后空冷至室温；

6)钢板最终微观组织以回火马氏体+纳米析出相+亚稳奥氏体的复合组织为主，其中，亚稳奥氏体体积百分比在2％～15％。

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